采礦試驗母船波浪載荷預報方法

李成君，荊海東，田華勇，邵武豪

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

海洋中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，當前對淺海礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用已較為成熟，但對礦產(chǎn)資源蘊藏量巨大的深海區(qū)域的礦產(chǎn)資源開發(fā)相對滯后，因此對適于在深海區(qū)域作業(yè)的采礦船進行研究具有重要意義。

目前船舶波浪載荷一般是基于SESAM等程序預報的，在預報過程中一般會對水動力模型進行簡化。例如，楊琛在對深水八角形浮式鉆井生產(chǎn)儲油船（Floating Drilling Production Storage and Offloading Vessel，F(xiàn)DPSO）的總體結(jié)構(gòu)強度進行計算時，將質(zhì)量分布簡化為質(zhì)量棒進行模擬，進而對波浪載荷進行預報。由于采礦試驗母船與該船型不同，質(zhì)量分布存在明顯的不對稱的特點，因此在對其進行波浪載荷預報過程中，有關模型的簡化程度和簡化模型對最終載荷預報的影響仍不清楚。

為解決上述問題，本文基于挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）的SESAM 軟件包，針對某型由他船改造的采礦試驗母船進行基于設計波法的波浪載荷預報方法研究，為該類型船舶的水動力分析提供參考。

1 設計波參數(shù)確定方法

1.1 載荷控制參數(shù)

本文選取的采礦試驗母船的船型和重量分布與常規(guī)船型有很大區(qū)別。與常規(guī)船型相比，該船船中位置的井架載荷較大，位置集中，對水動力分析的影響較大，因此船舶在波浪中的運動響應具有不確定性，在選取載荷控制參數(shù)時考慮的因素較為全面，在對采礦試驗母船進行總強度分析時，選取各方向的加速度、垂向剪力、垂向彎矩和扭矩作為載荷控制參數(shù)。

1.2 RAO計算工況

由于采礦試驗母船在結(jié)構(gòu)上是左右對稱的，重心的橫向位置位于船中，因此選取浪向為0° ～180°（間隔15°）、周期為5 ～30 s（間隔為1 s）進行計算。由于RAO峰值對應的周期一般為10 s左右，因此在8 ～12 s范圍對波浪周期進行加密，間隔為0.5 s。由此，本文計算的浪向有13 個，頻率有30 個。計算選用的海況條件見表1。由于船中月池區(qū)域相關設備較重，因此船舶處于中垂狀態(tài)，從設計的角度出發(fā)，快速篩選出設計包絡載荷，能在保證設計安全的前提下，提高設計和計算分析效率。因此，對典型的裝載工況進行對比分析之后，提取極限裝載工況作為分析對象，見表2。

表1 計算選用的海況條件

表2 計算選用的裝載工況

2 波浪載荷直接計算方法研究

2.1 水動力計算模型

建立船舶水動力模型，包括全船濕表面模型、質(zhì)量模型和結(jié)構(gòu)模型，其中濕表面模型見圖1。為提高計算效率，濕表面模型盡量采用較大的單元對船體濕表面進行模擬，模型網(wǎng)格數(shù)量為2 254 個。計算剖面選擇典型剖面，即1/4 船長位置、1/2 船長位置和3/4 船長位置，見圖2。在建立水動力模型過程中，為探討模型量綱、月池結(jié)構(gòu)和質(zhì)量模擬方式對最終計算結(jié)果的影響，對這些因素進行水動力分析，并對計算結(jié)果進行比較。

圖1 濕表面模型

圖2 選取的計算剖面

2.2 模型量綱的影響分析

在SESAM軟件中，數(shù)值的單位默認取國際標準單位，而通過繪圖軟件導入的幾何模型的單位制一般與國際標準單位不同，因此在有限元計算軟件中，為驗證最終計算結(jié)果的準確性，一般會針對不同的量綱確定不同的模型單位序列，選取的部分單位序列見表3。為驗證不同模型量綱對水動力計算結(jié)果的影響，通過比較表3 中的2 種量綱，對最終的不同控制參數(shù)下的最大響應幅值和對應頻率的計算結(jié)果進行比較。

表3 2 種模型量綱對比

通過對不同量綱的模型進行計算，得到2 種水動力模型下的計算結(jié)果對比見圖3。為使對比結(jié)果更為直觀，圖中數(shù)據(jù)的單位均轉(zhuǎn)化為非國際單位。

圖3 不同量綱模型計算結(jié)果對比

從圖3 中可看出：當波浪頻率較低、周期較大時，量綱對以垂向彎矩和垂向剪力作為控制載荷的水動力計算結(jié)果幾乎沒有影響；當波浪頻率較高時，特別是在超過固有頻率之后，量綱對水動力計算結(jié)果有比較明顯的影響，但對最大響應幅值和對應的響應頻率影響不大。對比分析以扭矩作為控制載荷的水動力計算結(jié)果可看出，量綱對最大響應出現(xiàn)的頻率影響不大，但對每個頻率下的不同模型的響應幅值存在很大的影響。因此，量綱對以垂直彎矩和垂直剪力作為控制參數(shù)的波浪載荷預報的影響較小，對以水平彎矩或扭矩作為控制參數(shù)的波浪載荷預報的影響較大。

通過以上對比分析可知，在計算船舶運動過程中，一般將船舶作為一個剛體考慮，因此同一個參考坐標系下不同方向上的船體均對應1 個剛度，垂向彎矩和垂向剪力對應垂向剛度，水平彎矩或扭矩對應水平剛度，船舶的垂向尺度遠小于船舶的水平方向尺度，且船舶的垂向剛度一般明顯大于水平剛度。由此可推斷，出現(xiàn)以上RAO對比結(jié)果的原因可能是剛度不同造成響應幅值結(jié)果存在差異。

剛度與質(zhì)量存在明顯的對應關系，而不同量綱對應的船舶質(zhì)量在數(shù)值上存在較大的差別。由表3 可知，非國際標準單位制下的質(zhì)量在數(shù)值上是國際單位制下的質(zhì)量的1/1 000。因此，經(jīng)過初步分析可得出船舶在波浪中的RAO與船舶自身的質(zhì)量有很大關系，由于在量綱上不同模型之間的質(zhì)量關系是線性的，而船舶在不同方向上的剛度在不同模型之間的關系是非線性的，因此在不同量綱的模型中，垂向RAO 與水平方向RAO有明顯不同的表現(xiàn)：垂向剛度較大，量綱對模型的RAO響應的影響不明顯；水平方向剛度較小，量綱對模型的RAO響應的影響較為明顯。

在進行全船水動力計算過程中，是否能忽略量綱的影響，主要考慮的是選取的控制參數(shù)。根據(jù)最終的波浪載荷預報結(jié)果，垂向的波浪預報幅值響應受模型量綱的影響較小，水平方向的波浪預報幅值受模型量綱的影響較大。對于本文所述船舶而言：若僅計及最大垂向彎矩或最大垂向剪力下的波浪載荷，則可忽略模型量綱對全船波浪載荷預報的影響；若需計及水平彎矩下的波浪載荷，則模型量綱對波浪載荷預報的影響較大，此時易導致預報結(jié)果不準確。

2.3 質(zhì)量模擬方法的影響分析

質(zhì)量模擬方法分為簡化模擬法和直接模擬法2 種，其中：簡化模擬法是指將全船的質(zhì)量分布按不同剖面的質(zhì)量，以質(zhì)量棒的形式分別加載到模型中，結(jié)合濕表面模型進行水動力分析；直接模擬法是指將全船的質(zhì)量以肋位為單位分別模擬，通過修改材料的密度或在模型中加載質(zhì)量點的形式對不同肋位的質(zhì)量進行模擬。簡化模擬法的質(zhì)量分布模型見圖4；直接模擬法的質(zhì)量分布模型見圖5。

圖4 簡化模擬法的質(zhì)量分布模型

圖5 直接模擬法的質(zhì)量分布模型

通過上述質(zhì)量模擬方法進行水動力預報，計算結(jié)果見圖6。

圖6 不同質(zhì)量模擬方法計算結(jié)果對比

從圖6 中可看出，質(zhì)量分布的簡化模擬法和直接模擬法對全船的垂向彎矩和垂向剪力響應預報的影響較小，對最終扭矩的響應結(jié)果的影響較大，不僅影響RAO峰值，而且影響峰值對應的頻率。

質(zhì)量的簡化模擬法由于采用質(zhì)量棒模擬水平方向上各剖面的質(zhì)量，忽略了水平方向上各剖面的質(zhì)量不均勻分布，因此扭矩受到的影響較大。同時，由于垂向剪力和垂向彎矩分布與單個剖面的質(zhì)量分布關系不大，因此采用質(zhì)量分布的簡化模擬法能較為準確地模擬出全船的波浪載荷響應并進行預報。

因此，在質(zhì)量關于船中心軸不對稱分布的情況下，采用質(zhì)量分布的簡化模擬法難以準確模擬出波浪扭矩預報，但對船舶的垂向剪力和垂向彎矩的波浪載荷預報影響不大，當全船的質(zhì)量分布關于船中心軸對稱時，采用簡化方法能準確模擬出各種控制參數(shù)下的波浪載荷預報。

3 計算實例

本文所述采礦船存在月池結(jié)構(gòu)，無法確定水動力幅值響應的典型控制載荷，因此需考慮垂向彎矩、剪力和扭矩作為控制載荷的水動力預報。同時，該船在不同裝載工況下的質(zhì)量分布均不關于船中對稱，采用質(zhì)量分布簡化模擬法難以準確預報出波浪載荷響應幅值，因此本文采用的方案是：量綱采用國際標準單位制，質(zhì)量采用直接模擬法模擬，對采礦船進行波浪載荷預報，將所得結(jié)果作為結(jié)構(gòu)分析的載荷條件。

3.1 RAO預報結(jié)果

為得到較為精確的短期預報極值，在計算過程中，在全船范圍內(nèi)劃分25 個剖面進行計算，見圖7。

圖7 計算剖面選取

根據(jù)以上計算模型和表2 中的裝載工況進行RAO 預報。針對不同裝載工況，選取垂向波浪彎矩的響應幅值分別見圖8 和圖9。

圖8 LC01工況下最大垂向波浪彎矩RAO曲線

圖9 LC02工況下最大垂向波浪彎矩RAO曲線

3.2 波浪載荷預報結(jié)果

根據(jù)以上RAO預報結(jié)果，按短期預報對全船的波浪載荷進行預報，結(jié)果見表4。

表4 全船波浪載荷預報結(jié)果

4 結(jié) 語

本文基于SESAM軟件對由他船改造的采礦試驗母船進行了波浪載荷預報，得到了不同裝載工況下的RAO預報結(jié)果。在對RAO進行預報過程中，研究了不同量綱和不同質(zhì)量模擬方法對RAO預報結(jié)果的影響，并進行了初步分析，主要得出以下結(jié)論：

1）在波浪載荷計算中，垂向剪力和垂向彎矩的波浪響應幅值受到量綱和質(zhì)量模擬方法的影響不大，可忽略，因此在僅考慮垂向剪力或垂向彎矩作為控制載荷的波浪載荷預報中，可忽略量綱和質(zhì)量模擬方法的影響，直接簡化預報；

2）在波浪載荷計算中，水平彎矩和扭矩的波浪響應幅值受到量綱和質(zhì)量模擬方法的影響較大，因此在考慮水平彎矩或扭矩作為控制載荷的波浪載荷預報中，不能忽略量綱和質(zhì)量模擬方法對最終預報結(jié)果的影響。